El genoma humano y la herencia del sexo en la especie humana

El genoma humano y la herencia del sexo en la especie humana

El genoma humano y la herencia del sexo en la especie humana
Prof. Bartolomé Yankovic Nola (Marzo, 2012)
¿Sabía Ud. que en la especie humana el sexo lo determina el varón? Sin embargo
– en el siglo XXI- , todavía hay comunidades que pueden rechazar a una mujer porque “fue
incapaz (¿) de concebir un hijo varón”. Desde la luz de la ciencia y desde la convivencia
civilizada un hecho así no resiste análisis.
El origen de cada uno de nosotros surge a partir de las células sexuales. Ovarios y
testículos se conocen como gónadas. Los ovarios femeninos producen óvulos; los
testículos generan espermatozoides. Cuando un óvulo se fusiona con un espermatozoide
se forma la célula huevo o cigoto, que tras un lapso de 9 meses se transforma en un bebé
listo para nacer y abandonar el útero que lo cobijó.
La mujer, desde la pubertad, produce un óvulo cada 28 días, aproximadamente; el
hombre, en cambio, produce millones de espermatozoides en cada proceso eyaculatorio,
que se liberan con el líquido seminal.
Fecundación: se forma la célula huevo o
cigoto, cuyo desarrollo, en un lapso de 9
meses en la especie humana, da origen a
un bebé, listo para desarrollarse fuera del
útero.
El óvulo, una célula esférica de algo más
de
2
mm
de
diámetro;
los
espermatozoides, microscópicos, en forma
de renacuajo, tienen entre 50 y 60
micrones de largo. Un micrón corresponde
a 0,001 mm, es decir a la milésima parte
de un milímetro.
El genoma
El genoma es el patrimonio genético de un individuo. Genoma humano, por
extensión, es el patrimonio genético de los seres humanos: es nuestro paquete genético,
es la herencia que nos han legado nuestros padres. Este patrimonio está alojado en los 23
pares de cromosomas, en el núcleo de cada una de las células corporales.
Todas las células humanas tienen 23 pares de cromosomas; las del riñón, el ojo, la
piel, el cerebro, el hígado, poseen 23 pares de cromosomas; 46 cromosomas en total. Pero
las células sexuales, el óvulo (femenino), y el espermatozoide (masculino), poseen la
mitad: 23 cromosomas.
1
Cada persona arma su patrimonio genético a partir de sus padres, cuando se
fusionan el óvulo materno con el espermatozoide paterno, proceso que se conoce como
fecundación. Recibimos 23 pares de cromosomas y cada padre aporta uno de los
miembros de cada par. Imaginemos, aunque el símil dista bastante de la realidad, que
cada cromosoma es como un collar de cuentas o perlas y que cada perla es un gen.
Nuestras células somáticas cargan 46 collares, que en total, tienen unas 30.000 cuentas; y
la células sexuales, la mitad.
¿Herencia a través de la sangre?
Hoy nadie duda de que la herencia se transmite desde padres a hijos a través de
partículas, que Mendel llamó factores y que hoy conocemos como genes. Este hecho ya
constituye un tema de cultura general.
Antes de Mendel se creía que la sangre era el vehículo hereditario. Expresiones
todavía en uso se fundamentan en esa creencia: este hijo es sangre de mi propia sangre;
tengo un 50% de sangre irlandesa; me lo dice la voz de la sangre; por mis venas corre
sangre quechua, etc. Y la sangre, ciertamente, tiene funciones muy importantes, pero no
es el vehículo hereditario.
Gregor Mendel (1822 – 1884), sacerdote austríaco, descubridor de
las leyes de la herencia: “la herencia depende de factores
(partículas) que los padres transmiten a sus hijos”. Fue el primero en
introducir la estadística en la investigación biológica, realizando
cuidadosos registros durante 15 años… experimentando en arvejas,
en el jardín de su monasterio.
La genética como ciencia nació en 1866, con los hallazgos y la publicación de los
trabajos de Gregor Mendel. Sin embargo, sus logros fueron ignorados por la comunidad
científica. En ese tiempo, la discusión estaba centrada en las ideas evolucionistas, lo que
habría influido en el escaso impacto de su brillante trabajo experimental.
A comienzo de la década del ´40, las preguntas de los biólogos se referían a la
naturaleza de los genes, es decir, a su composición y a la función que desempañaban.
¿Qué son? ¿Cómo actúan?
¿Cómo, estos pequeñísimos pedazos de materia – los cromosomas – podían ser
portadores de una enorme cantidad de compleja información? Estas preguntas atañen a la
genética molecular, disciplina de notable desarrollo en la segunda mitad del siglo XX, que
investiga los fundamentos químicos de la herencia.
2
Los estudios demostraron que la información genética está almacenada en una
molécula compleja, el ADN, ácido desoxirribonucleico, probablemente el compuesto más
popular del siglo XX. El análisis químico reveló que los cromosomas están formados
aproximadamente por mitad proteína y mitad ADN.
Las células somáticas o corporales de cualquier especie contienen la misma
cantidad que ADN, pero los gametos siempre llevan la mitad del ADN de las células
somáticas.
En 1953, el bioquímico norteamericano James D. Watson y el biofísico británico
Francis Crick, publican la primera descripción de la estructura del ADN, que concuerdan
con los datos conocidos y que, además, explican su papel biológico. La descripción del
hallazgo en la revista científica Nature, reconoce que se trata de las dos páginas más
famosas de la biología molecular. En esa molécula debían estar los genes, un término ya
propuesto en 1909. Por su trabajo Watson, Wilkins y Crick recibieron el premio Nobel de
Fisiología y Medicina en 1962.
Los nuevos datos sobre el ADN revelaron que:
- Almacena gran cantidad de información genética;
- Se replica o auto duplica con facilidad y precisión para transmitir copias fieles de
célula a célula y de padres a hijos, generación tras generación.
Resumiendo
-
-
-
El genoma está formado por el conjunto de cromosomas (en la especie
humana, 23 pares), que contienen genes. Los genes están constituidos
por ADN.
Dentro del núcleo celular se encuentran dos series completas del
genoma humano; una serie procede el padre; la otra, de la madre.
Entonces, tanto el óvulo como el espermatozoide contienen una serie
del genoma, una copia. Cada serie comprende los mismos 30.000
genes en los mismos 23 cromosomas. En la práctica existen pequeñas
diferencias entre las versiones paterna y materna de cada gen,
diferencias que explican, por ejemplo, los ojos azules o castaños, la
nariz respingada o aguileña, etc.
El genoma es un sistema complejo, cuyo efecto final es superior al de
la suma de sus partes. Si bien el número de genes es un factor
importante para expresar el fenotipo o característica visible de un
organismo, más aún lo son las interacciones inter génicas y las de los
genes con el medio ambiente. Entonces, cuando se afirma que se ha
identificado el gen de las habilidades cognitivas o los genes de
Alzheimer, es más acertado decir que se han reconocido genes
comprometidos en la expresión de esos rasgos. En suma, el fenotipo
3
de cada individuo depende de las propiedades del resto del genoma y
de las interacciones de éste con el ambiente.
Desde el origen: la célula
Se suele decir que así como el átomo es la base de la organización de la materia (la
materia está formada por átomos); en los seres vivos la base es la célula. Todos nuestros
órganos están formados por células… tenemos millones de millones de ellas y día tras día
mueren millones de células y se forman otros tantos.
La forma de las células es muy variada. Sin embargo la mayoría de quienes han cursado la
enseñanza media, la dibujan como un huevo frito…
La definición más aceptada sostiene que es la unidad anatómica, funcional,
reproductiva y genética de los seres vivos. Entonces, cuando en algún texto se afirma que
la célula se puede comparar con los ladrillos de un edificio, el símil es muy malo: la célula
no es una estructura mecánica, inerte.
Por cierto, todas las células realizan funciones características y tienen rasgos
comunes; sin embargo, las células de la piel tiene forma diferente de las células del hígado
o del cerebro. Pero un rasgo común es que contienen cromosomas, 23 pares… en la
especie humana. Los cromosomas contienen los genes… que tienen que ver con nuestra
herencia genética, con nuestro ADN.
Todas las células, salvo rarísimas excepciones, de cualquier parte del cuerpo animal
o vegetal, tienen núcleo y cromosomas. Entre los cromosomas distinguimos dos grupos:
los que influyen en las características somáticas o corporales, que se llaman autosomas, y
los cromosomas sexuales, que determinan el sexo.
4
Tanto si se trata de las células de un dedo del pie, del hígado, la piel, cerebro,
corazón, lengua... y cualquier órgano o estructura corporal, que podamos nombrar, la
organización es siempre la misma: células.
¿Y las plantas como el alerce, espinaca, rosal, naranjo? Su organización corporal es
distinta si se compara con la del mundo animal: raíz, tallo, hojas... Pero siempre se
encuentra la misma organización fundamental: células nucleadas con cromosomas. Por
cierto, hay algunas diferencias entre células animales y células vegetales. Por ejemplo, las
vegetales tienen una cubierta gruesa, resistente, de celulosa, que contribuye a la rigidez
vegetal.
¿Cuántas células? Sólo se puede realizar una estimación grosera, es decir, muy
aproximada, que, además, varía según los autores que se atreven a dar una cifra: el
organismo humano adulto tendría unos 100 billones células, la mayoría de las cuales tiene
una dimensión máxima (diámetro en algunos casos) de menos de una décima de
milímetro. Para el mundo hispanoamericano, un billón es un millón de millones... un 1
seguido de doce ceros: 1.000.000.000.000. (En los Estados Unidos, un billón es igual a mil
millones: un 1 seguido de nueve ceros).
A mayor número de células no necesariamente mayor complejidad. Ballenas,
elefantes, hipopótamos, etc., tienen más células que la especie humana, pero no mayor
complejidad. Lo mismo es válido para los cromosomas: algún gusano que no vacilaríamos
en aplastar, posee 50 pares de cromosomas; la especie humana, 23 pares.
Los gametos, células sexuales
En la especie humana y en todos los organismos superiores con mecanismo de
reproducción sexual, las llamadas células sexuales o gametos (óvulos en la mujer,
espermatozoides en el hombre), se producen en las gónadas, órganos que forman parte
del sistema reproductor.
Las gónadas masculinas se llaman testículos; las femeninas ovarios. Los primeros
producen espermatozoides; los ovarios producen óvulos.
Los gametos son células que tienen la mitad del número de cromosomas de la
especie. El número de cromosomas es característico para cada especie y no se relaciona
con su grado de desarrollo o evolución.
¿Cuándo se restituye la dotación completa de cromosomas? Cuando se produce la
fecundación, uniéndose óvulo con espermatozoide. Entonces se forma la célula huevo,
con igual aporte cromosómico de los progenitores.
Importante: Si tenemos 23 pares de cromosomas, llamados para 1, par 2, etc., el
óvulo tiene 1 miembro de cada par; el otro miembro lo aporta el espermatozoide.
Entonces, ¡la mitad de nuestros cromosomas proviene del padre; la otra mitad, de la
madre!
5
¿Por qué los hermanos son diferentes?
6
Si los padres concurren a la herencia de sus hijos con la mitad de los cromosomas
cada uno, ¿por qué los hermanos son diferentes? ¿Cómo explicar que los gemelos
idénticos sean tan parecidos como dos gotas de agua? ¿Cómo explicar que los mellizos, en
cambio, puedan ser de distinto sexo y tan parecidos o tan diferentes como hermanos que
no nacen al mismo tiempo?
Los hermanos son diferentes, porque los gametos que los generaron, óvulo y
espermatozoide son genéticamente diferentes: todos los óvulos que forme una mujer y
todos los espermatozoides que produzca un hombre, tienen genes iguales y genes
diferentes.
Los gemelos idénticos tiene la
misma herencia porque provienen de un
solo óvulo. El cigoto se divide en dos partes
y cada una de ellas se desarrolla
separadamente.
Los gemelos fraternos, mejor
llamados mellizos, corresponden a dos
óvulos
fecundados
por
dos
espermatozoides. Entonces, son dos
hermanos diferentes, que se desarrollan en
forma simultánea. Son tan parecidos, o tan
diferentes como los hermanos que nacen
en distintos momentos…
Repetimos: los gametos de una misma persona no son nunca iguales. En el caso de
los gemelos, su paquete genético es el mismo, porque provienen de un solo óvulo y un
espermatozoide que, después de la fecundación, en las primeras fases del desarrollo, se
separan constituyendo seres independientes. Los mellizos, aunque nazcan de un mismo
parto, proceden de dos óvulos y dos espermatozoides.
Se llama cariotipo a la representación gráfica del aspecto físico de los cromosomas
de un organismo, que en la figura aparecen clasificados en grupos. En el caso de la especie
humana, sólo desde 1956 se estableció que teníamos 46 cromosomas y no 48.
El cariotipo humano
La constitución genética total, de 46 cromosomas, se denomina diploide, y se
expresa así: 2n, donde n = 23. La constitución de los gametos es haploide, n, donde n = 23.
Los cromosomas que aparecen en el cariotipo humano son característicos de las
primeras fases de la división celular, donde se han duplicado. Cada cromosoma está
formado por dos cromátidas hermanas unidas entre sí. Por tal motivo, en cada par de
cromosomas contamos cuatro barras y no dos.
En la especie humana, la masculinidad está representada por el cromosoma sexual Y.
La división celular mitótica
La cromatina del núcleo celular – esa madeja enmarañada -, el conjunto de largos
filamentos, condensan y engruesan cuando comienza la división celular. En este caso se
dice que los cromosomas, duplicados, están formados por dos cromátidas que se llaman
hermanas, genéticamente iguales. El contenido de los cromosomas, es decir, el ADN ya se
ha duplicado.
Simplificadamente, la división celular es el proceso que distribuye el material celular
en dos células hijas de menor tamaño. Este proceso, completo, tarda pocas horas o varios
días, dependiendo de factores como los principios nutritivos disponibles y la temperatura.
Se denomina interfase al período que media entre dos divisiones celulares
sucesivas. En la interfase se duplica el ADN. El proceso mismo de división celular se conoce
7
como mitosis, y es propio de las células diploides, con 2n cromosomas, que generan
células hijas, que también poseen 2n cromosomas.
¿Cómo se explica este hecho?
Las cromátidas hermanas se separan; son cromosomas hijas. Un conjunto de
cromosomas va a una célula hija; el otro conjunto, a otra célula hija. Las cromátidas
hermanas primitivas, de la célula original, son ahora, en las células hijas, los cromosomas;
éstos reaparecen en el núcleo como hebras de cromatina.
¿Cuál es el significado biológico de la división celular mitótica?
-
-
-
Para organismos unicelulares como la ameba, paramecio, euglena,
etc., implica reproducción.
Para los pluricelulares, como el hombre, supone crecimiento y
remplazo de células. Constantemente mueren miles y miles de células
de nuestro cuerpo... Cuando nos hacemos una herida, la cicatrización
conlleva la formación de millares de nuevas células.
Cada célula hija recibe un juego completo de cromosomas, idéntico al
de la célula progenitora. La división mitótica es precedida por la
duplicación del ADN; las células hijas son genéticamente iguales.
Todas las células de nuestro organismo se originan por mitosis, a
excepción de los gametos.
En la mitosis, proceso de división de todas las células corporales a
excepción de los gametos, las células hijas resultantes son
genéticamente idénticas a la célula original.
Los gametos que produzca una persona… ¡son diferentes!
Cuando hay fecundación y se forma la célula huevo o cigoto, se transmite una serie
completa del genoma, que no es exactamente igual para todos los óvulos que produzca la
madre ni para todos los espermatozoides del padre.
Primer factor: la distribuciones posibles de los cromosomas durante la meiosis son
muy grandes: los cromosomas paterno y materno no permanecen juntos, sino que se
distribuyen en forma independiente, de tal forma que el potencial de variabilidad genética
es enorme: un hombre con sus 46 cromosomas puede producir 224 tipos de
espermatozoides diferentes, es decir, 8.388.608 combinaciones distintas de
cromosomas… Y lo mismo ocurre con la mujer… sin considerar las variaciones que va a
introducir el crossing – over.
8
9
En este dibujo se ilustran las distribuciones posibles de los cromosomas en la meiosis
para un organismo que solo tiene 4 cromosomas (izq.) y 6 cromosomas (der). En este dibujo los
cromosomas negros son de origen paterno y los coloreados de origen materno. Pero… en la
meiosis estos cromosomas no permanecen juntos, sino que se distribuyen en forma
independiente:
(a)
(b)
Si la cantidad de cromosomas es 4, la cantidad de combinaciones posibles de
cromosomas es 22 (es decir, 4 combinaciones).
Si la cantidad original de cromosomas del organismo es 6, los gametos
posibles (combinaciones) es 23 = 8 combinaciones. En la especie humana,
con 46 cromosomas, tanto el hombre como la mujer pueden producir 223
combinaciones distintas de cromosomas = 8.388.608 combinaciones
distintas. (Ilustración y texto: Invitación a la Biología, pág. 208. H. Curtis y N. Sue
Barnes, Ed. Médica Panamericana, Madrid, España, 2000)
Segundo factor: cuando se forman óvulos y espermatozoides hay un intercambio
de bloques o fragmentos de cromosomas paternos y maternos, proceso que se conoce
como crossing - over. Este fenómeno ayuda a explicar, también, por qué los hijos de una
misma pareja nunca son iguales, salvo el caso de los gemelos idénticos.
El entrecruzamiento cromosómico (o crossing over en inglés) es
el proceso por el cual dos cromosomas – las cromátidas
homólogas - se aparean e intercambian secciones de su ADN.
El resultado de este proceso es un intercambio de genes,
llamado recombinación genética.
Si bien todas nuestras células… ya sean del cerebro, el hígado, la piel… o los
riñones, tiene 23 pares de cromosomas, es decir, 46 en total; los gametos tienen la mitad:
23 cromosomas.
En el momento de la fecundación – en el cigoto – cuando se produce la fusión del
gameto masculino con el femenino se restituye la dotación cromosómica completa: 23
cromosomas del óvulo + 23 cromosomas del espermatozoide = 46 cromosomas (23
pares).
Los cromosomas sexuales del hombre son diferentes: X e Y; en la mujer son
iguales, X y X. Convencionalmente, entonces, la dotación cromosómica del hombre se
representa como 44XY; en la mujer, 44XX. La constitución genética se conoce como
genotipo: XY corresponde a un carácter visible masculino; el genotipo XX se manifiesta
como carácter visible femenino. Cualquier carácter visible se llama fenotipo, pero la
constitución genética que está en nuestras células, que no es visible, de llama genotipo.
Recordemos que todos los óvulos de una mujer llevarán el cromosoma sexual X,
mientras los espermatozoides del varón serán X o Y. La condición femenina XX o
masculina XY depende de cual sea el espermatozoide que fecunda al óvulo: si el
espermatozoide lleva el cromosoma sexual X, el sexo será femenino; si el espermatozoide
contiene el cromosoma sexual Y, el sexo de la criatura será masculino.
En el diagrama. P
representa a los padres. El
símbolo ♀ se usa para
hembra, y ♂ para macho.
El varón, 44XY, produce
dos tipos de gametos (G)
22X
que
llevan
el
cromosoma sexual X y
22Y con el cromosoma
sexual Y. La mujer, 44 XX
solo produce gametos con
el cromosoma sexual X; es
decir, 22X
¿Posibilidades? Solo dos: si el óvulo es alcanzado por el espermatozoide X, entonces: 22X
+ 22X = 44XX, mujer; si en cambio es fecundado por un espermatozoide Y, tendremos: 22X
+ 22Y = 44XY, varón
¿Probabilidades? Es como tirar una moneda al aire: cara o sello; ¡masculino o femenino!
Es decir, las probabilidades están en 50% para hombre o mujer, o, lo que es lo mismo 1:1.
Para cada proceso de gestación las probabilidades son las mismas. Entonces, si una pareja
tiene 3 mujeres… es como tirar una moneda al aire y salió, por ejemplo, tres veces
10
seguidas “cara”. Recordemos, además, que cada evento (en este caso, cada fecundación)
es un proceso distinto, entonces, en cada uno de ellos, opera el azar. ¡La extensa mitología
de qué hacer para engendrar un hijo de un sexo determinado solo tiene el valor del
pintoresquismo, pero ningún asidero científico!
a la
el
la
Otro dibujo aclaratorio: a la
izquierda, la mujer XX, solo genera
óvulos con el cromosoma sexual X;
derecha, el hombre produce dos
tipos de espermatozoides; unos con
cromosoma sexual X, otros con el
cromosoma sexual Y. Cuando se da
combinación XX, el sexo es
femenino; cuando se da XY,
masculino.
El ciclo vital en la especie humana
En primer lugar, en el ciclo
vital de la especie humana
destacan dos modalidades
de reproducción celular:
mitosis y meiosis. El primer
proceso ocurre con nuestras
células
somáticas
o
corporales… de la piel, los
intestinos, el hígado, el
estómago, etc. En este
proceso de división las
células somáticas con 23
pares de cromosomas dan
origen a dos células hijas,
genéticamente iguales, con
la
misma
dotación
cromosómica: 23 pares. En
cambio, en la meiosis, a partir de una célula con 23 pares de cromosomas, se generan
células, óvulo y espermatozoide, con la mitad del número de cromosomas 11 pares de
cromosomas + 1 cromosoma sexual: 22 X o 22Y. Entonces, la meiosis reduce en número
de cromosomas a la mitad: los gametos tienen 23 cromosomas.
11
En los ovarios, células que tienen 2n cromosomas = 23 pares, dan origen al óvulo (n) a través de
un proceso – meiosis - que reduce el número de cromosomas a la mitad. Por su parte, el mismo
proceso meiótico ocurre en las gónadas masculinas, cuando se generan los espermatozoides.
Cuando en el tracto genital femenino se liberan los espermatozoides y existe la presencia de un
óvulo, hay posibilidades de fecundación, formándose el cigoto. En él se restituye la condición
diploide: tiene 23 pares de cromosomas, la mitad proviene de la madre; la otra mitad, del padre.
El cigoto inicia su proceso de desarrollo. Al cabo de un tiempo, en el segundo mes el embrión
pesa cerca de 1 gramo y mide unos 3 cm de largo. Ya tiene un aspecto humano y recibe el
nombre de feto. El nacimiento se produce más o menos a los 266 días de la concepción y todas
sus células son diploides: tienen 23 pares de cromosomas. El bebé ya fuera del tracto genital
femenino inicia su desarrollo; si es varón, a partir de la pubertad producirá espermatozoides… si
es mujer, producirá un solo óvulo cada 28 días aproximadamente. En cambio, la producción es
espermatozoides se traduce en millones y millones. La variabilidad genética de los gametos está
asegurada por la meiosis; tanto para el hombre como la mujer… se dan más de 8.000.000 de
posibilidades distintas en cada proceso, para cada óvulo, para cada espermatozoide… a lo cual
hay que agregar el proceso de crossing – over.
12